DE102014114240A1

DE102014114240A1 - Verfahren und System zur Schaffung einer Kühlung für Turbinenkomponenten

Info

Publication number: DE102014114240A1
Application number: DE201410114240
Authority: DE
Inventors: Victor Morgan; Michael James Healy; Brian Brzek; John Wesley Harris, JR.; Aaron Ezekiel Smith; Donald Earl Floyd II
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2015-04-09
Also published as: US9458725B2; JP6431737B2; US20150096305A1; CH708700A2; CH708700A8; JP2015075107A

Abstract

Es sind ein Verfahren und System (100) zur Schaffung einer Kühlung einer Turbinenkomponente (34), die eine zu kühlende Region enthält, geschaffen. Eine Aussparung wird innerhalb der zu kühlenden Region ausgebildet und enthält eine Innenfläche. Wenigstens ein Stützvorsprung (48) erstreckt sich von der Innenfläche aus. Der wenigstens eine Stützvorsprung enthält ein freies Ende. Eine Abdeckung (54) wird mit der zu kühlenden Region verbunden, so dass eine innere Oberfläche (57) der Abdeckung mit dem freien Ende des wenigstens einen Stützvorsprungs derart verbunden ist, dass wenigstens ein Kühlfluidkanal innerhalb der zu kühlenden Region ausgebildet ist.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Turbomaschinen und insbesondere Verfahren und Systeme zur Schaffung einer Kühlung für innere Strukturen von Gasturbinenkomponenten.
In wenigstens einigen bekannten Gasturbinen wird eine innere Struktur einer Komponente, die heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, unter Verwendung eines Kühlfluids gekühlt, das durch Kanäle geleitet wird, die im Inneren der Komponente definiert sind. In Komponenten, wie beispielsweise Leitschaufeln und Laufschaufeln, die sich im Wesentlichen radial in Bezug auf eine Achse einer Gasturbine erstrecken, erstrecken sich wenigstens einige der Kühlkanäle ebenfalls im Wesentlichen in Radialrichtung. Wenigstens einige weitere Kanäle erstrecken sich unterhalb wenigstens eines Abschnitts einer Außenfläche der Komponente und im Wesentlichen parallel zu dem wenigstens einen Abschnitt. Ein Kühlfluid wird zu den Kanälen von einer Kühlfluidquelle geliefert, die mit der Komponente verbunden ist.
Außerdem erfahren in wenigstens einigen bekannten Gasturbinen, die mehrere Rotor- und Statorstufen enthalten, Hinterkantenbereiche von Schaufelblättern von Statorleitschaufeln der ersten Stufe und Laufschaufeln der ersten Stufe auch Temperaturen und entsprechende Wärmelasten, die zu den höchsten, die in einer Gasturbine vorzufinden sind, zählen. Demgemäß besteht eine Tendenz bei einem Konstrukteur, eine Dicke eines Schaufelblattes zu erhöhen, um ein Strukturvolumen zu schaffen, das hinreichend groß ist, um eine Ausbildung von Kühlkanälen darin zu ermöglichen. Jedoch lastet ein konkurrierender Druck auf dem Konstrukteur, die Schaufelblattdicke, insbesondere in den Hinterkantenbereichen, zu reduzieren, da die Hinterkantendicke ein Faktor ist, der einen wesentlichen Einfluss auf den aerodynamischen Wirkungsgrad eines Schaufelblattes ausübt.
Demgemäß ist es erwünscht, den aerodynamischen Wirkungsgrad eines Schaufelblattes durch Reduktion der Hinterkantendicke zu verbessern und dabei gleichzeitig eine verbesserte Kühlung von Hinterkantenstrukturen zu ermöglichen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt ist ein Verfahren zur Schaffung eines Kühlsystems für eine Turbinenkomponente geschaffen. Das Verfahren enthält ein Definieren eines Turbinenkomponentenkörpers, wobei der Turbinenkomponentenkörper eine zu kühlende Region enthält. Das Verfahren enthält ferner ein Definieren einer Aussparung innerhalb der zu kühlenden Region, wobei die Aussparung eine Innenfläche enthält. Das Verfahren enthält ferner ein Definieren wenigstens eines Stützvorsprungs, der sich von der Innenfläche aus erstreckt, wobei der wenigstens eine Stützvorsprung ein freies Ende enthält. Das Verfahren enthält ferner ein Verbinden einer Abdeckung mit der zu kühlenden Region des Turbinenkomponentenkörpers, so dass eine innere Fläche der Abdeckung mit dem freien Ende des wenigstens einen Stützvorsprungs derart verbunden ist, dass wenigstens ein Kühlkanal innerhalb der zu kühlenden Region definiert ist.
Das zuvor erwähnte Verfahren kann ferner ein Verbinden des wenigstens einen Kühlkanals innerhalb der zu kühlenden Region in Strömungsverbindung mit einer Kühlfluidquelle aufweisen.
In dem Verfahren einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das Definieren einer Aussparung innerhalb der zu kühlenden Region aufweisen: Entfernen eines Volumens von Opfermaterial aus der zu kühlenden Region, wobei die zu kühlende Region sich von einer Spitze einer Hinterkantenregion des Turbinenkomponentenkörpers zu einer Stelle erstreckt, die in einem Abstand zu der Hinterkantenspitze beabstandet angeordnet ist; und Definieren einer Schulter an der Stelle, die in einem Abstand zu der Hinterkantenspitze beabstandet ist.
In dem Verfahren einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das Definieren wenigstens eines Stützvorsprungs ein derartiges Definieren aufweisen, dass sich der wenigstens eine Stützvorsprung von der Innenfläche in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Innenfläche der Aussparung erstreckt.
In dem Verfahren einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das Definieren wenigstens eines Stützvorsprungs ein Definieren mehrerer Stützvorsprünge, die sich von der Innenfläche aus erstrecken, aufweisen.
In dem Verfahren einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das Verbinden einer Abdeckung aufweisen: Anordnen einer Hartlotmaterialschicht in einer Nebeneinanderstellung mit dem freien Ende des wenigstens einen Stützvorsprungs; und Erhitzen des Hartlotmaterials und des Komponentenkörpers, so dass sich die Hartlotmaterialschicht mit dem freien Ende des wenigstens einen Stützvorsprungs verbindet.
Das Verfahren einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ein Verbinden wenigstens entweder einer Haftschicht und/oder einer Wärmebarriereschicht mit der Abdeckung aufweisen.
Zusätzlich kann das Verfahren ein Verbinden einer Haftschicht mit der Hartlotmaterialschicht aufweisen.
Noch weiter kann das Verfahren zusätzlich ein Verbinden einer Wärmebarriereschicht mit der Haftschicht aufweisen.
In dem Verfahren einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das Definieren wenigstens eines Stützvorsprungs, der sich von der Innenfläche aus erstreckt, entweder ein gezieltes Entfernen von Material aus der zu kühlenden Region, um wenigstens einen Zapfen zu definieren, oder ein Positionieren einer Schicht eines porösen Metallschaummaterials innerhalb der Aussparung aufweisen.
In einem weiteren Aspekt ist ein System zur Schaffung einer Kühlung einer Turbinenkomponente geschaffen. Das System enthält einen Turbinenkomponentenkörper, der eine zu kühlende Region enthält. Das System enthält ferner eine Aussparung, die innerhalb der zu kühlenden Region definiert ist, wobei die Aussparung eine Innenfläche enthält. Das System enthält ferner wenigstens einen Stützvorsprung, der sich von der Innenfläche aus erstreckt, wobei der wenigstens eine Stützvorsprung ein freies Ende enthält. Das System enthält ferner eine Abdeckung, die mit der zu kühlenden Region des Turbinenkomponentenkörpers gekoppelt ist, so dass eine innere Oberfläche der Abdeckung mit dem freien Ende des wenigstens einen Stützvorsprungs derart verbunden ist, dass wenigstens ein Kühlfluidkanal innerhalb der zu kühlenden Region definiert ist.
Das zuvor erwähnte System kann eine Kühlfluidquelle aufweisen, die mit dem wenigstens einen Kühlfluidkanal verbunden ist.
In dem System einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann die Aussparung die Innenfläche, die sich von einer Spitze einer Hinterkantenregion bis zu einer Stelle erstreckt, die in einem Abstand von der Hinterkantenspitze beabstandet ist, und eine Schulter aufweisen, die an der in einem Abstand zu der Hinterkantenspitze beabstandeten Stelle definiert ist.
In dem System einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann sich der wenigstens eine Stützvorsprung von der Innenfläche in eine Richtung erstrecken, die im Wesentlichen senkrecht zu der Innenfläche ausgerichtet ist.
In dem System einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann der wenigstens eine Stützvorsprung mehrere Stützvorsprünge aufweisen, die sich von der Innenfläche aus erstrecken.
In dem System einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann die Abdeckung eine Hartlotmaterialschicht aufweisen, die mit dem freien Ende des wenigstens einen Stützvorsprungs verbunden ist.
Das System einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann wenigstens eine Haftschicht und/oder eine Wärmebarriereschicht aufweisen, die mit der Abdeckung verbunden ist.
Außerdem kann das System eine Haftschicht aufweisen, die mit der Hartlotmaterialschicht verbunden ist.
Noch weiter kann das System zusätzlich eine Wärmebarriereschicht aufweisen, die mit der Haftschicht verbunden ist.
In einem noch weiteren Aspekt ist ein Gasturbinensystem geschaffen. Das Gasturbinensystem enthält einen Verdichterabschnitt. Das Gasturbinensystem enthält ferner ein Verbrennungssystem, das mit dem Verdichterabschnitt in Strömungsverbindung steht. Das Gasturbinensystem enthält ferner einen Turbinenabschnitt, der mit dem Verbrennungssystem in Strömungsverbindung steht. Der Turbinenabschnitt enthält einen Turbinenkomponentenkörper, der eine zu kühlende Region enthält. Der Turbinenabschnitt enthält ferner eine Aussparung, die innerhalb der zu kühlenden Region definiert ist, wobei die Aussparung eine Innenfläche enthält. Der Turbinenabschnitt enthält ferner wenigstens einen Stützvorsprung, der sich von der Innenfläche aus erstreckt, wobei der wenigstens eine Stützvorsprung ein freies Ende enthält. Der Turbinenabschnitt enthält ferner eine Abdeckung, die mit der zu kühlenden Region gekoppelt ist, so dass eine innere Oberfläche der Abdeckung mit dem freien Ende des wenigstens einen Stützvorsprungs verbunden ist, so dass wenigstens ein Kühlfluidkanal innerhalb der zu kühlenden Region definiert ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks, in dem ein beispielhaftes Kühlverfahren und -system verwendet werden können.
2 zeigt eine vergrößerte schematische Seitenschnittansicht eines Turbinenabschnitts des in 1 veranschaulichten Gasturbinentriebwerks.
3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht, die einen einleitenden Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Ausbildung eines Hinterkantenkühlsystems veranschaulicht.
4 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Zwischenschritt eines beispielhaften Verfahrens zur Ausbildung eines Hinterkantenkühlsystems veranschaulicht.
5 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht, die eine Schaufelblatthinterkante nach Beendigung eines beispielhaften Verfahrens zur Ausbildung eines Hinterkantenkühlsystems veranschaulicht.
6 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht, die eine Schaufelblatthinterkante nach Beendigung eines alternativen beispielhaften Verfahrens zur Ausbildung eines Hinterkantenkühlsystems veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In dem hierin verwendeten Sinne beziehen sich die Ausdrücke „axial“ und „in Axialrichtung“ auf Richtungen und Orientierungen, die im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse einer Gasturbine verlaufen. Außerdem beziehen sich die Ausdrücke „radial“ und „in Radialrichtung“ auf Richtungen und Orientierungen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse der Gasturbine verlaufen. Zusätzlich beziehen sich die Ausdrücke „längs des Umfangs“ und „in Umfangsrichtung“, wie sie hierin verwendet werden, auf Richtungen und Orientierungen, die bogenförmig um die Längsachse der Gasturbine herum verlaufen.
1 veranschaulicht ein Gasturbinensystem 10, in dem beispielhafte Hinterkantenkühlsysteme realisiert werden können. Die hierin beschriebenen beispielhaften Hinterkantenkühlsysteme sind in Bezug auf eine Gasturbine beschrieben. In anderen beispielhaften Ausführungsformen können die hierin beschriebenen Hinterkantenkühlsysteme bei anderen Systemen implementiert werden, in denen Wärmeschutz und -ableitung erwünscht sind, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, bei Dampfturbinen und Verdichtern. Das Gasturbinensystem 10 ist veranschaulicht, wie es längs des Umfangs um eine Triebwerksmittellinie 12 herum angeordnet ist. Das Gasturbinensystem 10 kann in serieller Strömungsbeziehung einen Verdichter 16, ein Verbrennungssystem 18 und eine Turbine 20 enthalten. Das Verbrennungssystem 18 und die Turbine 20 werden häufig als der heiße Abschnitt des Gasturbinensystems 10 bezeichnet. Eine Rotorwelle 26 verbindet die Turbine 20 drehfest mit dem Verdichter 16. In dem Verbrennungssystem 18 wird Brennstoff verbrannt, wobei z.B. eine Heißgasströmung 28 erzeugt wird, die in dem Bereich zwischen etwa 3000 und etwa 3500°F liegen kann. Die Heißgasströmung 28 wird durch die Turbine 20 geleitet, um das Gasturbinensystem 10 anzutreiben.
2 veranschaulicht die Turbine 20 nach 1. Die Turbine 20 kann eine Leitschaufel 30 und eine Turbinenlaufschaufel 32 enthalten. Ein Schaufelblatt 34 ist für die Leitschaufel 30 vorgesehen. Die Leitschaufel 30 weist eine Vorderkante 36 auf, die der Heißgasströmung 28 ausgesetzt ist. Die Leitschaufeln 30 können mit Luft gekühlt werden, die von einer oder mehreren Stufen des Verdichters 16 durch ein Gehäuse 38 des Systems 10 abgeleitet wird.
3–5 veranschaulichen ein Hinterkantenkühlsystem 100 zur Verwendung in einer Hinterkantenregion 40 des Schaufelblattes 34. In der beispielhaften Ausführungsform wird Luft als das Kühlfluid genutzt, das in dem Hinterkantenkühlsystem 100 verwendet wird. Obwohl Luft speziell beschrieben ist, wird in alternativen Ausführungsformen ein anderes Fluid als Luft zur Kühlung von Komponenten, die Verbrennungsgasen ausgesetzt sind, verwendet. Es sollte auch erkannt werden, dass der Ausdruck „Fluid“, wie er hierin verwendet wird, ein beliebiges Medium oder Material umfasst, das strömt, wozu einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, ein Gas, Dampf und Luft gehören. In wenigstens einigen bekannten Turbinen 20 ist wenigstens ein Kühlkanal 22 in der Leitschaufel 30 definiert. Der Kühlkanal 22 ist mit einem Kühlzufuhrkanal 24 verbunden, der in einem Gehäuse 38 des Systems 10 definiert ist und der wiederum mit einer Kühlfluidquelle 27 verbunden ist.
3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht einer beispielhaften Hinterkantenregion 40 des Schaufelblattes 34 unter Veranschaulichung eines einleitenden Schrittes eines beispielhaften Verfahrens zur Ausbildung eines Hinterkantenkühlsystems 100. Insbesondere zeigt 3 eine Schnittansicht entlang einer Richtung, die zu einer Längsachse X des Schaufelblattes 34 parallel ausgerichtet ist, wobei sich die Achse X im Wesentlichen radial in Bezug auf die Triebwerksmittellinie 12 erstreckt. Eine Achse Y repräsentiert eine Sehnenrichtung in Bezug auf das Schaufelblatt 34, wobei sich die „Sehnenrichtung“ auf eine Richtung von einer Vorderkante 36 (wie sie in 2 veranschaulicht ist) bis zu einer Hinterkantenregion 40 bezieht. Eine Achse Z definiert eine Dickenrichtung in Bezug auf das Schaufelblatt 34. Außerdem veranschaulicht 3 einen Schaufelblattkörper 39, dessen Hinterkantenregion 40 eine Stelle zur Implementierung des Kühlsystems 100 bereitstellt. Der Schaufelblattkörper 39 enthält eine Saugseite 44 und eine Druckseite 42. Wie beschrieben, wird der Schaufelblattkörper 39 in der beispielhaften Ausführungsform mittels eines Gießverfahrens hergestellt. In alternativen Ausführungsformen wird der Schaufelblattkörper 39 unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Herstellungsverfahrens erzeugt, das ausreicht, um dem beispielhaften Kühlsystem 100 zu ermöglichen, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. Der Schaufelblattkörper 39 enthält Kühlkanäle 22. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Kanäle 22 durch Stützvorsprünge oder -zapfen 23 definiert, die wiederum durch Gießen des Schaufelblattkörpers 39 definiert werden. Jedoch ist die Schaffung der Zapfen 23, die als integrale Komponenten des Schaufelblattkörpers 39 monolithisch ausgebildet sind, auf dickere Regionen 25 des Schaufelblattkörpers 39 beschränkt, was auf die physikalischen dimensionalen (oder räumlichen) Beschränkungen bekannter Gießverfahren zurückzuführen ist. Ähnliche Raumbeschränkungen gelten für alternative Schaufelblattherstellungsmethoden, wie beispielsweise maschinelle Herstellung. Das beispielhafte Kühlsystem 100 richtet sich an derartige Raumbeschränkungen, um innere Kühlkanäle in eine Richtung parallel zu der Achse Z des Schaufelblattkörpers 39 innerhalb der Hinterkantenregion 40, die die dünnste Region des Schaufelblattkörpers 39 darstellt, zu schaffen.
Nach dem Gießen enthält die Hinterkantenregion 40 des Schaufelblattkörpers 39 eine (mit gestrichelten Linien dargestellte) Opferregion 46. Ein Material innerhalb der Opferregion 46 wird unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens zur Entfernung von Material entfernt, wozu einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, auf einem Zerspannwerkzeug basierende maschinelle Bearbeitung und/oder Fräsbearbeitung, EDM (elektroerrosive Bearbeitung), Wasserbearbeitung, Laserbearbeitung und/oder ein beliebiges sonstiges Materialabtragsverfahren gehören, das dem System 100 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
Das Entfernen von Material aus der Opferregion 46 definiert mehrere einzelne Stützvorsprünge oder -zapfen 48, die gemeinsam als eine Zapfenbank 50 bezeichnet werden und die sich von einer Innenfläche 53 einer Aussparung oder Lippe 52 aus erstrecken. Die Zapfen 48 ragen von der Lippe 52 der Hinterkantenregion 40 nach außen vor. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Zapfen 48 mit der Lippe 52 monolithisch ausgebildet. In der beispielhaften Ausführungsform weisen die Zapfen 48 beliebige geeignete Querschnittskonfigurationen, Abstände und Abmessungen auf, die dem System 100 ermöglichen, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. Obwohl in 3 acht Zapfen 48 veranschaulicht sind, werden in alternativen Ausführungsformen mehrere oder wenigere Zapfen 48 verwendet. Eine einzelne Reihe von Zapfen 48, die sich im Wesentlichen entlang der Achse Y erstreckt, ist in 3 veranschaulicht. In der beispielhaften Ausführungsform sind mehrere Reihen der Zapfen 48, die entlang der Achse X aneinandergereiht sind, vorgesehen. In einigen beispielhaften Ausführungsformen sind die Zapfen 48 in benachbarten Reihen zueinander ausgerichtet. In anderen alternativen Ausführungsformen sind die Zapfen 48 in benachbarten Reihen nicht zueinander ausgerichtet. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Zapfen 48 nach dem Entfernen des Materials aus der Opferregion 46 definiert, was eine Kerbe 55 innerhalb der Hinterkantenregion 40 zur Folge hat, die durch eine Schulter 58 und eine Spitze 56 definiert ist.
In einer alternativen Ausführungsform werden die Zapfen 48 während des ursprünglichen Gießprozesses zur Definition des Schaufelblattkörpers 39 definiert. Insbesondere wird die Hinterkantenregion 40, falls sie durch Gießen definiert wird, ursprünglich als eine Kerbe 55, die von der Schulter 58 und der Spitze 56 begrenzt ist, mit den an Ort und Stelle gegossenen Zapfen 48, die von der Innenfläche 53 wegragen, gegossen. Dabei werden die Zapfen 48 auf die Innenfläche 53 in einem beliebigen geeigneten Muster angeordnet, das dem System 100 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. In der beispielhaften Ausführungsform ist unabhängig davon, ob die Zapfen 48 durch Materialabtragung, Gießen oder ein anderes Verfahren ausgebildet werden, jeder Zapfen 48 mit einem freien Ende 49 ausgebildet.
4 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der in 3 veranschaulichten Schaufelblatthinterkantenregion 40 unter Veranschaulichung eines Zwischenschritts eines beispielhaften Verfahrens zur Ausbildung eines Hinterkantenkühlsystems 100 nach der Entfernung der Opferregion 46. Es wird eine Schicht (oder „Abdeckung“) 54 aus einem Hartlotmaterial eines vorgesinterten Vorformlings („PSP“) unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens derart geformt, dass sie über die Zapfen 48 passt und mit einer Spitze 56 der Lippe 52 und einer Schulter 58 im Wesentlichen ausgerichtet ist, wobei die Schicht 54 im Wesentlichen über und an den Zapfen 48 positioniert ist (diesen „gegenüberliegt“). Nach der Positionierung der Schicht 54 steht eine (in 4 veranschaulichte) innere Oberfläche 57 der Schicht 54 in tatsächlichem Kontakt mit einem freien Ende 49 eines oder mehrerer der Zapfen 48, oder sie ist in einem geringen Abstand von einem freien Ende 49 eines oder mehrerer der Zapfen 48 weg beabstandet. In der beispielhaften Ausführungsform wird die Schicht 54 aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt, das dem System 100 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. Insbesondere wird die Schicht 54 in der beispielhaften Ausführungsform als eine Mischung von wenigstens einem Hochtemperatur-Metallpulver und wenigstens einem Niedertemperatur-Metallpulver hergestellt. Die Hoch- und Niedertemperaturpulver werden gemeinsam gesintert, um die Schicht 54 zu definieren. Nach der Platzierung der Schicht 54 auf den Zapfen 48 wird der Schaufelblattkörper 39 unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens erhitzt, das der Schicht 54 ermöglicht, sich mit den Zapfen 48 und der Schulter 58 in einer Weise zu verbinden, die ausreicht, um dem System 100 zu ermöglichen, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. Vor dem Erhitzen existiert ein Spalt 60 zwischen der Spitze 56 und einer Spitze 62 der Schicht 54. Nach dem Erhitzen bleibt der Spalt 60, und er dient als eine Auslassöffnung, die sich entlang der Hinterkantenregion 40 zwischen den Spitzen 56 und 62 erstreckt. Während des Turbinenbetriebs tritt Kühlluft über einen Einlass 61 in die Zapfenbank 50 ein.
5 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der in 3 veranschaulichten Schaufelblatthinterkantenregion 40 nach der Beendigung eines beispielhaften Verfahrens zur Ausbildung eines Hinterkantenkühlsystems 100. Wie beschrieben, bewirkt ein Erhitzen des Schaufelblattkörpers 39 in der beispielhaften Ausführungsform, dass die PSP-Hartlotschicht 54 den (in 4 veranschaulichten) Spalt 60 verschließt, um sich mit der Spitze 56 der Lippe 52 zu verbinden. In ähnlicher Weise wird die PSP-Hartlotschicht 54 mit dem Schaufelblattkörper 39 an der Schulter 58 verbunden. Eine Lage 64 einer Wärmehaftschicht („TBC“) ist mit einer Außenfläche 66 der Schicht 54 und mit einer Außenfläche 68 der Lippe 52 verbunden. In der beispielhaften Ausführungsform wird die TBC-Schicht 64 auf eine beliebige geeignete Weise hergestellt, die ausreicht, um dem fertiggestellten Schaufelblatt 34 zu ermöglichen, in der beschriebenen Weise zu funktionieren.
Die Zapfen 48 definieren mehrere Zwischenräume 70, die gemeinsam mit ähnlichen Zwischenräumen in benachbarten Reihen von Zapfen 48 (nicht veranschaulicht) mehrere Strömungswege 72 durch das Schaufelblatt 34 definieren. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Strömungswege 62 mit dem Kühlzufuhrkanal 24 verbunden, um Kühlfluid zu der Hinterkantenregion 40 des Schaufelblattes 34 zuzuführen.
Die in den 3–5 veranschaulichte beispielhafte Ausführungsform enthält die Zapfenbank 50, die in der Hinterkantenregion 40 auf der Druckseite 42 des Schaufelblattkörpers 39 angeordnet ist. Zusätzlich zu der Anordnung einer Zapfenbank 50 an der Lippe 52 können andere Stellen verwendet werden, wie beispielsweise an der Opferregion 35, die an der Druckseite 42 angeordnet ist, und/oder an der Opferregion 37, die an der Saugseite 44 angeordnet ist (wie in den 3–4 veranschaulicht). Ein Entfernen von Material aus der Opferregion 35 unter Verwendung eines beliebigen der hierin beschriebenen Verfahren definiert eine Aussparung, in die die Zapfen 41 hineinragen. Ebenso definiert ein Entfernen von Material aus der Opferregion 37 Zapfen 43. Nach der Materialentfernung wird eine PSP-Hartlotmaterialschicht 82 gegen die Zapfen 41 passend angelegt und beispielsweise durch Erhitzen, wie hierin beschrieben, an diese befestigt. Ebenso kann eine PSP-Hartlotmaterialschicht 87 gegen die Zapfen 43 passend angelegt und beispielsweise durch Erhitzen an diese befestigt werden, wie hierin beschrieben. Danach können die Schichten 82 und/oder 87 beispielsweise mit der TBC-Schicht 64 (wie sie in 5 veranschaulicht ist) überzogen werden. Um eine Luftströmung an den Zapfen 41 und/oder 43 vorbei aufzunehmen, weist der Schaufelblattkörper 39 in ihm definierte Kühllufteinlässe 47 und 59 sowie Auslässe 45 und 51 auf. Aus den Auslässen 45 und/oder 51 ausgegebene Luft bildet einen Kühlluftfilm oder Kühlluftfilme zur weiteren Kühlung des Schaufelblattkörpers 39.
6 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht, die ein Schaufelblatt 74 veranschaulicht, das eine Schaufelblatthinterkantenregion 80 nach der Beendigung eines alternativen beispielhaften Verfahrens zur Ausbildung eines Hinterkantenkühlsystems enthält. Anstatt die einzelnen Zapfen 41 (wie sie in den 3–5 veranschaulicht sind) zu definieren, definiert ein Entfernen von Material aus der Hinterkantenregion 80 eine Lippe 79. Eine Schicht 88 eines porösen Metallschaummaterials wird auf die Lippe 79 aufgebracht. Auf die poröse Metallschaumschicht 88 wird eine PSP-Hartlotschicht 84 aufgebracht, so dass die Schicht 88 von der Lippe 79 vorragt und die Schicht 84 stützt. Das Schaufelblatt 74 wird, wie hierin beschrieben, erhitzt und bewirkt dabei, dass die Hartlotschicht 84 an der porösen Metallschaumschicht 88 befestigt wird, und es bewirkt ferner, dass die poröse Metallschaumschicht 88 an der Lippe 79 befestigt wird. Die poröse Metallschaumschicht 88 bleibt nach dem Erhitzen porös. In einer alternativen Ausführungsform wird der poröse Metallschaum anstelle der Zapfen an anderen Stellen, wie beispielsweise an der Region 75, verwendet. Nach dem Entfernen von Material aus der Region 75 unter Verwendung eines beliebigen der hierin beschriebenen Verfahren zum Entfernen von Material wird eine poröse Metallschaumschicht 77 eingefügt und von einer PSP-Hartlotschicht 78 bedeckt.
Während eines Turbinenbetriebs wird Kühlluft aus einer inneren Kühlluftsammelkammer 81 in die poröse Metallschaumschicht 88 über einen Einlass 83 eingeleitet, und sie definiert einen Kühlluftauslass 85 an einer Auslassregion 86, die zwischen der Lippe 79 und der Hartlotschicht 84 definiert ist. In gleicher Weise wird Kühlluft aus der Sammelkammer 81 in die poröse Metallschaumschicht 77 über einen Einlass 76 eingeleitet und aus der porösen Metallschaumschicht 77 über eine Austrittsöffnung 89 ausgelassen.
Die hierin beschriebene Erfindung bietet verschiedene Vorteile gegenüber bekannten Systemen und Verfahren zur Schaffung einer Kühlung von Turbinenhinterkantenstrukturen. Insbesondere ermöglichen die hierin beschriebenen Systeme eine Definition von Kühlkanälen innerhalb der Hinterkantenregionen von Schaufelblättern, insbesondere in relativ dünnen Bereichen von Schaufelblättern in der Nähe oder an der tatsächlichen Hinterkante des Schaufelblattes. Außerdem ermöglichen die hierin beschriebenen Systeme die Definition von Kühlkanälen in Bereichen eines Schaufelblattes, die für andere Verfahren zur Ausbildung von Kühlkanälen, wie beispielsweise Gießen, nicht zugänglich sind. Insbesondere bewältigen die hierin beschriebenen Systeme räumliche Beschränkungen, um inneren Kühldurchgänge innerhalb einer Hinterkantenregion eines Schaufelblattes zu schaffen. Zusätzlich ermöglichen die hierin beschriebenen Systeme eine Ausbildung einer Zapfenbank, so dass die Zapfen in einem beliebigen gewünschten Muster, mit einer beliebigen gewünschten Größe, Gestalt und/oder einem beliebigen gewünschten Abstand angeordnet sind, die geeignet sind, um den Kühlkanälen zu ermöglichen, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
Beispielhafte Ausführungsformen eines Verfahrens und eines Systems zur Schaffung einer Kühlung von Turbinenkomponenten sind vorstehend in Einzelheiten beschrieben. Das Verfahren und System sind nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt, so dass vielmehr Komponenten der Systeme und/oder Schritte der Verfahren unabhängig und gesondert von anderen hierin beschriebenen Komponenten und/oder Schritten verwendet werden können. Z.B. kann das Verfahren auch in Kombination mit anderen Turbinenkomponenten verwendet werden, und es ist nicht darauf beschränkt, lediglich bei den Gasturbinenleitschaufeln, wie hierin beschrieben, ausgeführt zu werden. Vielmehr kann die beispielhafte Ausführungsform in Verbindung mit vielen weiteren Gasturbinenanwendungen implementiert und verwendet werden.
Obwohl spezielle Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in einigen Zeichnungen veranschaulicht sein können und in anderen nicht, dient dies lediglich der Zweckmäßigkeit. Gemäß den Prinzipien der Erfindung kann jedes Merkmal aus einer Zeichnung in Kombination mit einem beliebigen Merkmal irgendeiner anderen Zeichnung in Bezug genommen und/oder beansprucht werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
Während die Erfindung anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass die Erfindung mit Modifikationen innerhalb des Rahmens und Umfangs der Ansprüche umgesetzt werden kann.
Es sind ein Verfahren und System 100 zur Schaffung einer Kühlung einer Turbinenkomponente 34, die eine zu kühlende Region enthält, geschaffen. Eine Aussparung wird innerhalb der zu kühlenden Region ausgebildet und enthält eine Innenfläche. Wenigstens ein Stützvorsprung 48 erstreckt sich von der Innenfläche aus. Der wenigstens eine Stützvorsprung enthält ein freies Ende. Eine Abdeckung 54 wird mit der zu kühlenden Region verbunden, so dass eine innere Oberfläche 57 der Abdeckung mit dem freien Ende des wenigstens einen Stützvorsprungs derart verbunden ist, dass wenigstens ein Kühlfluidkanal innerhalb der zu kühlenden Region ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbinensystem
12: Triebwerksmittellinie
16: Verdichter
18: Verbrennungssystem
20: Turbine
22: Kanäle
24: Kühlzufuhrkanal
25: dickere Regionen
26: Rotorwelle
27: Quelle
28: Heißgasströmung
30: Statorleitschaufel
32: Turbinenlaufschaufel
34: Schaufelblatt
35: Opferregion
36: Vorderkante
37: Opferregion
38: Gehäuse
39: Schaufelblattkörper
40: Hinterkantenregion
41: Zapfen
42: Druckseite
43: Zapfen
44: Saugseite
45: Auslässe
46: Opferregion
47: Kühllufteinlässe
48: Zapfen
49: freies Ende
50: Zapfenbank
51: Auslässe
52: Lippe
53: innere Fläche
54: Schicht
55: Kerbe
56: Spitze
57: innere Oberfläche
58: Schulter
59: Lufteinlässe
60: Spalt
61: Einlass
62: Spitze
64: Schicht
66: äußere Oberfläche
68: äußere Oberfläche
70: Zwischenräume
72: Strömungswege
74: Schaufelblatt
75: Region
76: Einlass
77: poröse Metallschaumschicht
78: PSP-Hartlotschicht
79: Lippe
80: Hinterkantenregion
81: Sammelkammer
82: Schichten
83: Einlass
84: Hartlotschicht
85: Kühlluftauslass
86: Auslassregion
87: PSP-Hartlotmaterialschicht
88: poröse Metallschaumschicht
89: Austrittsöffnung
100: System

Claims

System (100) zur Schaffung einer Kühlung einer Turbinenkomponente (34), wobei das System (100) aufweist: einen Turbinenkomponentenkörper (39), der eine zu kühlende Region (40) enthält; eine Aussparung, die innerhalb der zu kühlenden Region definiert ist, wobei die Aussparung eine Innenfläche (53) enthält; wenigstens einen Stützvorsprung (48), der sich von der Innenfläche (52) aus erstreckt, wobei der wenigstens eine Stützvorsprung (48) ein freies Ende (49) enthält; und eine Abdeckung (54), die mit der zu kühlenden Region verbunden ist, so dass eine innere Fläche (57) der Abdeckung mit dem freien Ende des wenigstens einen Stützvorsprungs derart verbunden ist, dass wenigstens ein Kühlfluidkanal (70) innerhalb der zu kühlenden Region definiert ist.
System (100) nach Anspruch 1, wobei das System eine Kühlfluidquelle aufweist, die mit dem wenigstens einen Kühlfluidkanal (70) verbunden ist.
System (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aussparung aufweist: die Innenfläche (53), die sich von einer Spitze (62) einer Hinterkantenregion (40) bis zu einer Stelle erstreckt, die in einem Abstand von der Hinterkantenspitze (62) beabstandet ist; und eine Schulter (58), die an der in einem Abstand von der Hinterkantenspitze beabstandeten Stelle definiert ist.
System (100) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Stützvorsprung (48) sich von der Innenfläche (53) aus in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Innenfläche (53) erstreckt.
System (100) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Stützvorsprung mehrere (50) Stützvorsprünge aufweist, die sich von der Innenfläche (53) aus erstrecken.
System (100) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdeckung (54) eine Schicht (54) eines Hartlotmaterials aufweist, die mit dem freien Ende (49) des wenigstens einen Stützvorsprungs (48) verbunden ist.
System (100) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System (100) wenigstens entweder eine Haftschicht und/oder eine Wärmebarriereschicht aufweist, die mit der Abdeckung verbunden ist.
System (100) nach Anspruch 6, wobei das System (100) eine Haftschicht aufweist, die mit der Hartlotmaterialschicht verbunden ist, wobei das System vorzugsweise eine Wärmebarriereschicht aufweist, die mit der Haftschicht verbunden ist.
Gasturbinensystem (10), wobei das Gasturbinensystem aufweist: einen Verdichterabschnitt (16); ein Verbrennungssystem (18), das mit dem Verdichterabschnitt (16) in Strömungsverbindung steht; und einen Turbinenabschnitt (20), der mit dem Verbrennungssystem (18) in Strömungsverbindung steht, wobei der Turbinenabschnitt (20) aufweist: einen Turbinenkomponentenkörper (39), der eine zu kühlende Region (40) enthält; eine Aussparung, die innerhalb der zu kühlenden Region definiert ist, wobei die Aussparung eine Innenfläche (53) enthält; wenigstens einen Stützvorsprung (48), der sich von der Innenfläche aus erstreckt, wobei der wenigstens eine Stützvorsprung ein freies Ende (49) enthält; und eine Abdeckung (54), die mit der zu kühlenden Region des Turbinenkomponentenkörpers verbunden ist, so dass eine innere Oberfläche (57) der Abdeckung mit dem freien Ende des wenigstens einen Stützvorsprungs derart verbunden ist, dass wenigstens ein Kühlfluidkanal (70) innerhalb der zu kühlenden Region definiert ist.
Verfahren zur Schaffung eines Kühlsystems, für eine Turbinenkomponente, wobei das Verfahren aufweist: Definieren eines Turbinenkomponentenkörpers, wobei der Turbinenkomponentenkörper eine zu kühlende Region enthält; Definieren einer Aussparung innerhalb der zu kühlenden Region, wobei die Aussparung eine Innenfläche enthält; Definieren wenigstens eines Stützvorsprungs, der sich von der Innenfläche aus erstreckt, wobei der wenigstens eine Stützvorsprung eines freies Ende enthält; und Verbinden einer Abdeckung mit der zu kühlenden Region, so dass eine innere Oberfläche der Abdeckung mit dem freien Ende des wenigstens einen Stützvorsprungs verbunden wird, um wenigstens einen Kühlkanal innerhalb der zu kühlenden Region zu definieren.